JP2021086927A - Hybrid-type superconducting bulk magnet device and magnetization method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超電導バルクを用いて高磁場を発生するハイブリッド型超電導バルク磁石装置とその着磁方法に関するものである。 The present invention relates to a hybrid superconducting bulk magnet device that generates a high magnetic field using a superconducting bulk and a magnetizing method thereof.
最近開発されている超電導バルクを用いた超電導磁石は、超電導コイル磁石よりもコンパクトであり、比較的小さな空間に大きな磁場を発生する用途に適している。 Recently developed superconducting magnets using superconducting bulk are more compact than superconducting coil magnets and are suitable for applications that generate a large magnetic field in a relatively small space.
超電導バルクを用いた超電導磁石として、磁気レンズ効果を利用し、磁束の誘導方向の適所に磁束を収束させるバルク超電導体磁気レンズが提案されている(特許文献1等)。
As a superconducting magnet using a superconducting bulk, a bulk superconductor magnetic lens that uses the magnetic lens effect to converge the magnetic flux at an appropriate position in the direction of inducing the magnetic flux has been proposed (
図1(a)に、従来のバルク超電導体磁気レンズを用いた超電導磁石装置の一例を示す。この超電導磁石装置1は、一対の超電導バルクを突き合わせてなるバルク超電導体磁気レンズ2から構成され、外部に配置される着磁用超電導マグネット3により着磁用磁場(印加磁場Bapp)が印加されるようになっている。例えば、超電導バルクとしては、GdBaCuOが用いられ、超電導コイルとしては、NbTiが用いられる。
FIG. 1A shows an example of a superconducting magnet device using a conventional bulk superconductor magnetic lens. This
この超電導磁石装置1は、着磁用超電導マグネット3が作る磁場を、磁気シールド効果を用いて内部に設けたバルク超電導体磁気レンズ2により収束し、磁場増幅率(印加磁場に対する発生磁場の比)が図1(b)に示すように1より大きくなる高磁場Bcを発生させるものである。現状では、外部磁場Bapp=8Tのもとで、バルク超電導体磁気レンズ2内で12.4Tの磁場収束が実現している(非特許文献1)。
In this
しかしながら、このような従来の超電導磁石装置1では、磁場収束効果は外部磁場Bappをゼロにすると磁気レンズ効果が失われるため、着磁用超電導マグネット3が励磁されている状態(図1(b)の点線の矢印で示す)だけ有効となっているに過ぎなかった。
However, in such conventional
そこで、本発明者は、特許文献2において、印加磁場より大きな磁場を発生でき、しかも、印加磁場をゼロにした後も、印加磁場より大きな磁場を持続的に発生することができるハイブリッド型バルク超電導磁石装置を提案した。
Therefore, in
このハイブリッド型バルク超電導磁石装置は、円筒状のバルク超電導体の内部中心に、磁場を収束させるための形状を有する異なる特性のバルク超電導体(磁気レンズ部)を配置し、外部に設置した着磁用超電導マグネットにより円筒状のバルク超電導体(円筒部)を着磁することで、円筒状のバルク超電導体のみが捕捉する磁場以上の磁場を内部中心に発生することができ、着磁用超電導マグネットの磁場印加をゼロにした後も印加磁場より大きな磁場を持続的に発生させることができる。 In this hybrid type bulk superconducting magnet device, a bulk superconductor (magnetic lens unit) having different characteristics having a shape for converging a magnetic field is arranged at the inner center of a cylindrical bulk superconductor, and magnetized externally. By magnetizing a cylindrical bulk superconductor (cylindrical part) with a superconducting magnet for magnetism, a magnetic field higher than the magnetic field captured only by the cylindrical bulk superconductor can be generated in the inner center. Even after the magnetic field application is set to zero, a magnetic field larger than the applied magnetic field can be continuously generated.
特許文献2では、円筒状バルク超電導体とバルク超電導体レンズの組み合わせとして、MgB2バルク円筒とREBaCuO(REは希土類金属元素またはY)バルクレンズの組み合わせと、両方とも同じREBaCuO(REは希土類金属元素またはY)からなるバルク円筒とバルクレンズの組み合わせが開示されている。このうち、MgB2バルク円筒磁石は超電導性が低いため、この場合の最大発生磁場は5T程度と従来のREBaCuOバルク円筒磁石が実現できる最大発生磁場より低いため、バルク円筒とバルクレンズの両方にREBaCuOを用いる方が、メリットが大きい。その場合、10T程度の着磁で13.5T程度の磁場をバルクレンズ内に実現できる。
In
図2(a)に、本発明者が特許文献1において提案したハイブリッド型超電導バルク磁石装置(以下、単に超電導バルク磁石装置とも称する)11を示す。この超電導バルク磁石装置11は、一対の超電導バルクを突き合わせてなるバルク超電導体磁気レンズ12が、円筒状バルク超電導体13の内部中心に配置されて構成され、外部に配置される着磁用超電導マグネット14により着磁用磁場(印加磁場Bapp)が印加されるようになっている。バルク超電導体磁気レンズ12は、図2(a)に示すように、磁場を収束させるための形状となっており、その特性は円筒状バルク超電導体13の特性とは異なっている。バルク超電導体磁気レンズ12の超電導バルクとしては、例えばREBaCuO(REは希土類元素またはY)が用いられ、円筒状バルク超電導体13の超電導バルクとしても、同じREBaCuO(REは希土類元素またはY)が用いられ、着磁用超電導マグネット14として、例えばNbTiからなるソレノイド型コイルまたはスプリット型コイルが用いられる。上記REBaCuOとしては、特にGdBaCuO、EuBaCuOが好ましい。
FIG. 2A shows a hybrid type superconducting bulk magnet device (hereinafter, also simply referred to as a superconducting bulk magnet device) 11 proposed by the present inventor in
この超電導バルク磁石装置11は、着磁用超電導マグネット14により円筒状バルク超電導体13を着磁することにより、円筒状バルク超電導体13による磁場の捕捉現象と、バルク超電導体磁気レンズ12による磁気収束効果を組み合わせることにより、図2(b)に示すように、印加磁場Bappより大きな磁場Bcを発生させ、かつ、着磁用超電導マグネット14による磁場印加をゼロにした後に印加磁場Bappより大きな磁場Bcを持続的に発生できるようになる。
In this superconducting
この超電導バルク磁石装置11は、図3に各部の形状、大きさを示すように、非常にコンパクトであり、比較的小さな空間に大きな磁場を発生する用途に適するものとなる。
As shown in FIG. 3 in FIG. 3, the superconducting
この例の超電導バルク磁石装置11の磁化プロセスでは、増磁過程でGdBaCuO円筒13は超電導転移温度Tc=92Kより高い温度に維持され、GdBaCuOレンズ12は超電導転移温度Tc=92Kより低い温度まで冷却される。外部磁場Bexの増加によりGdBaCuOレンズ12はゼロ磁場冷却(ZFC)により着磁される。そして、GdBaCuOレンズ12とGdBaCuO円筒13の温度は例えば20Kまで低下し、減磁過程で外部磁場Bexの減少により、GdBaCuO円筒13は磁場中冷却着磁(FCM)によって磁化され、磁束がGdBaCuO円筒13内に捕捉される。このため、超電導バルク磁石装置11では、GdBaCuOレンズ12とGdBaCuO円筒13の温度を個別に制御する必要がある。
In the magnetization process of the superconducting
ここで、GdBaCuOレンズとGdBaCuO円筒の温度を個別に制御する方法としては、次の4つの方法が考えられる。 Here, as a method of individually controlling the temperature of the GdBaCuO lens and the GdBaCuO cylinder, the following four methods can be considered.
第1の方法は、図4(a)に示すように、GdBaCuOレンズとGdBaCuO円筒を独立の2台の冷却装置のコールド・ステージで温度制御する方法である。しかしながら、この方法は、検証実験は可能であるが、広い室温磁場空間は実現できず、応用に向かなく、また高価となる欠点がある。 As shown in FIG. 4A, the first method is a method in which the temperature of the GdBaCuO lens and the GdBaCuO cylinder is controlled by the cold stage of two independent cooling devices. However, although this method allows verification experiments, it cannot realize a wide room temperature magnetic field space, is not suitable for application, and has a drawback of being expensive.
第2の方法は、図4(b)に示すように、1台の冷却装置を用い、そのコールド・ステージを20Kに保持し、増磁過程ではGdBaCuO円筒を冷却装置のコールド・ステージから切り離し、減磁過程では冷却装置のコールド・ステージに熱的に接触させる、機械的熱スイッチを用いる方法である。しかしながら、この方法は、真空容器中において磁場中でどのような良好な熱接触を実現するか技術的に困難であり、また高価となる欠点がある。 In the second method, as shown in FIG. 4 (b), one cooling device is used, the cold stage is held at 20K, and the GdBaCuO cylinder is separated from the cold stage of the cooling device in the magnetizing process. In the demagnetization process, a mechanical heat switch is used to make thermal contact with the cold stage of the cooling device. However, this method has a drawback that it is technically difficult to realize what kind of good thermal contact is achieved in a magnetic field in a vacuum vessel, and it is expensive.
第3の方法は、図4(c)に示すように、1台の冷却装置を用い、冷却装置のコールド・ステージとGdBaCuO円筒の間にヒータを設け、増磁過程ではヒータによりGdBaCuO円筒の温度をTc=92K以上にし、減磁過程ではヒータをオフにして20Kに保持する方法である。しかしながら、この方法は、熱負荷が大きすぎ、冷却装置のコールド・ステージを20Kに維持することは実際的には難しいという欠点がある。 In the third method, as shown in FIG. 4 (c), one cooling device is used, a heater is provided between the cold stage of the cooling device and the GdBaCuO cylinder, and the temperature of the GdBaCuO cylinder is heated by the heater in the magnetizing process. Is a method in which T c = 92K or more is set, and the heater is turned off in the demagnetization process to keep the temperature at 20K. However, this method has a drawback that the heat load is too large and it is practically difficult to maintain the cold stage of the cooling device at 20K.
第4の方法は、図4(d)に示すように、1台の冷却装置を用い、冷却装置のコールド・ステージとGdBaCuO円筒の間にHeガスを用いた熱スイッチを設け、増磁過程では熱スイッチを真空断熱にして温度をTc=92K以上にし、減磁過程では熱スイッチにHeガスを充填し、20Kに保持する方法である。しかしながら、この方法は、Heガス式熱スイッチを実現できるかはっきりせず、実現できたとしても装置構成が複雑になるという欠点ある。 In the fourth method, as shown in FIG. 4D, one cooling device is used, and a heat switch using He gas is provided between the cold stage of the cooling device and the GdBaCuO cylinder, and in the magnetizing process. This is a method in which the heat switch is vacuum-insulated to raise the temperature to T c = 92K or higher, and in the demagnetization process, the heat switch is filled with He gas and held at 20K. However, this method has a drawback that it is not clear whether a He gas type thermal switch can be realized, and even if it can be realized, the device configuration becomes complicated.
このように、GdBaCuOレンズとGdBaCuO円筒の温度を個別に制御する方法として、上記の4つの方法は、いずれも上記のような欠点があり、実現が難しいという問題があった。 As described above, as a method of individually controlling the temperature of the GdBaCuO lens and the GdBaCuO cylinder, all of the above four methods have the above-mentioned drawbacks and have a problem that it is difficult to realize.
本発明は、以上のような従来技術の問題点を解決し、印加磁場より大きな磁場を発生でき、しかも、印加磁場をゼロにした後も、印加磁場より大きな磁場を持続的に発生することができ、かつ、1台の冷却装置で、同じ材料からなる円筒状バルク超電導体とバルク超電導体レンズの温度を低コストで確実に個別制御することのできるハイブリッド型超電導バルク磁石装置及びその着磁方法を提供することを課題とする。 The present invention solves the above-mentioned problems of the prior art, can generate a magnetic field larger than the applied magnetic field, and can continuously generate a magnetic field larger than the applied magnetic field even after the applied magnetic field is set to zero. A hybrid superconducting bulk magnet device and its magnetizing method that can reliably and individually control the temperatures of a cylindrical bulk superconductor and a bulk superconductor lens made of the same material with a single cooling device at low cost. The challenge is to provide.
本発明によれば、上記課題を解決するため、以下の発明が提供される。
〔1〕REBaCuO(REは希土類元素またはY)からなる円筒状バルク超電導体の内部中心に、磁場を収束させるための形状を有し、前記円筒状バルク超電導体と同じ材料からなる一対の超電導バルクを突き合わせてなるバルク超電導体磁気レンズを配置し、外部に設置した着磁用超電導マグネットにより前記円筒状バルク超電導体を着磁することにより、前記円筒状バルク超電導体による磁場の捕捉現象と、前記バルク超電導体磁気レンズによる磁気収束効果を組み合わせ、印加磁場より大きな磁場を発生させ、かつ、前記着磁用超電導マグネットによる磁場印加をゼロにした後も、前記円筒状バルク超電導体に残存する捕捉磁場により、印加磁場より大きな磁場を持続的に発生できるようにしたハイブリッド型超電導バルク磁石装置であって、前記円筒状バルク超電導体と前記バルク超電導体磁気レンズを冷却するための1台の冷却装置を設け、前記冷却装置と前記円筒状バルク超電導体との間に、前記バルク超電導体磁気レンズの冷却に対し前記円筒状バルク超電導体の冷却を遅延させる熱リーク部材を配置し、前記円筒状バルク超電導体と前記バルク超電導体磁気レンズの温度を個別に制御することを特徴とするハイブリッド型超電導バルク磁石装置。
〔2〕上記第1の発明において、前記熱リーク部材が繊維強化プラスチックであることを特徴とするハイブリッド型超電導バルク磁石装置。
〔3〕上記第〔1〕または第〔2〕の発明において、前記円筒状バルク超電導体と前記バルク超電導体磁気レンズがGdBaCuOからなることを特徴とするハイブリッド型超電導バルク磁石装置。
〔4〕上記第〔1〕または第〔2〕の発明において、前記円筒状バルク超電導体と前記バルク超電導体磁気レンズがEuBaCuOからなることを特徴とするハイブリッド型超電導バルク磁石装置。
〔5〕上記第〔1〕から第〔4〕のいずれかの発明において、前記円筒状バルク超電導体と前記バルク超電導体磁気レンズの周りにそれぞれ機械的補強部材を設けたことを特徴とするハイブリッド型超電導バルク磁石装置。
〔6〕上記第〔1〕から第〔5〕のいずれかに記載のハイブリッド型超電導バルク磁石装置を用い、増磁過程では前記円筒状バルク超電導体は常電導状態に維持し、前記バルク超電導体磁気レンズは超電導状態とし、前記着磁用超電導マグネットによる外部磁場を直線的に増加させ、前記前記バルク超電導体磁気レンズはゼロ磁場冷却により着磁した後、前記円筒状バルク超電導体及び前記バルク超電導体磁気レンズをともに超電導状態とし、減磁過程では、前記円筒状バルク超電導体と前記バルク超電導体磁気レンズの超電導状態を維持したまま、前記着磁用超電導マグネットによる外部磁場を直線的に減少させ、前記円筒状バルク超電導体を磁場中冷却着磁され、前記円筒状バルク超電導体により磁束を捕捉し、外部磁場の印加を停止した後も、印加磁場より大きい磁場を持続的に発生させることを特徴とするハイブリッド型超電導バルク磁石装置の着磁方法。
According to the present invention, the following inventions are provided in order to solve the above problems.
[1] A pair of superconducting bulks having a shape for converging a magnetic field at the inner center of a cylindrical bulk superconductor made of REBaCuO (RE is a rare earth element or Y) and made of the same material as the cylindrical bulk superconductor. By arranging a bulk superconductor magnetic lens that is abutted against each other and magnetizing the cylindrical bulk superconductor with a magnetizing superconducting magnet installed outside, the phenomenon of capturing a magnetic field by the cylindrical bulk superconductor and the above-mentioned Combined with the magnetic convergence effect of the bulk superconductor magnetic lens, a magnetic field larger than the applied magnetic field is generated, and even after the magnetic field application by the magnetizing superconducting magnet is made zero, the captured magnetic field remaining in the cylindrical bulk superconductor. A hybrid superconducting bulk magnet device capable of continuously generating a magnetic field larger than the applied magnetic field, and one cooling device for cooling the cylindrical bulk superconductor and the bulk superconductor magnetic lens. A heat leak member is provided between the cooling device and the cylindrical bulk superconductor to delay the cooling of the cylindrical bulk superconductor with respect to the cooling of the bulk superconductor magnetic lens, and the cylindrical bulk superconductor is provided. A hybrid type superconducting bulk magnet device characterized in that the temperatures of the body and the bulk superconductor magnetic lens are individually controlled.
[2] The hybrid type superconducting bulk magnet device according to the first invention, wherein the heat leak member is a fiber reinforced plastic.
[3] The hybrid superconducting bulk magnet apparatus according to the first or second invention, wherein the cylindrical bulk superconductor and the bulk superconductor magnetic lens are made of GdBaCuO.
[4] The hybrid superconducting bulk magnet apparatus according to the first or second invention, wherein the cylindrical bulk superconductor and the bulk superconductor magnetic lens are made of EuBaCuO.
[5] In any of the inventions [1] to [4], the hybrid is characterized in that mechanical reinforcing members are provided around the cylindrical bulk superconductor and the bulk superconductor magnetic lens, respectively. Type superconducting bulk magnet device.
[6] Using the hybrid type superconducting bulk magnet device according to any one of the above [1] to [5], the cylindrical bulk superconductor is maintained in a normal conducting state during the magnetizing process, and the bulk superconductor is maintained. The magnetic lens is placed in a superconducting state, the external magnetic field generated by the magnetizing superconducting magnet is linearly increased, the bulk superconductor magnetic lens is magnetized by zero magnetic field cooling, and then the cylindrical bulk superconductor and the bulk superconductor are magnetized. Both body magnetic lenses are placed in a superconducting state, and in the demagnetization process, the external magnetic field generated by the magnetizing superconducting magnet is linearly reduced while maintaining the superconducting states of the cylindrical bulk superconductor and the bulk superconductor magnetic lens. The cylindrical bulk superconductor is cooled and magnetized in a magnetic field, the magnetic flux is captured by the cylindrical bulk superconductor, and even after the application of the external magnetic field is stopped, a magnetic field larger than the applied magnetic field is continuously generated. A featured method of magnetizing a hybrid superconducting bulk magnet device.
本発明によれば、上記構成を採用したので、印加磁場より大きな磁場を発生でき、しかも、印加磁場をゼロにした後も、印加磁場より大きな磁場を持続的に発生することができ、かつ、1台の冷却装置で、同じ材料からなる円筒状バルク超電導体とバルク超電導体レンズの温度を低コストで確実に個別制御することのできるハイブリッド型超電導バルク磁石装置及びその着磁方法を提供することが可能となる。 According to the present invention, since the above configuration is adopted, a magnetic field larger than the applied magnetic field can be generated, and even after the applied magnetic field is set to zero, a magnetic field larger than the applied magnetic field can be continuously generated, and To provide a hybrid superconducting bulk magnet device capable of reliably and individually controlling the temperatures of a cylindrical bulk superconductor made of the same material and a bulk superconductor lens at a low cost and a magnetizing method thereof with one cooling device. Is possible.
本発明のハイブリッド超電導バルク磁石装置は、有害物質を磁気力により分離する磁気分離等の環境浄化分野、小型・高効率モーター・発電機等のエネルギー分野や、核磁気共鳴(NMR)装置等の医療分野などに利用することができる。また、これまでの超電導バルク磁石装置ではできなかった「物質の分離・精製」や、「電子・イオンビーム収束」などの計測・高エネルギー物理分野へも応用することが可能である。 The hybrid superconducting bulk magnet device of the present invention includes environmental purification fields such as magnetic separation that separates harmful substances by magnetic force, energy fields such as small and high-efficiency motors and generators, and medical treatment such as nuclear magnetic resonance (NMR) devices. It can be used in fields. It can also be applied to measurement and high energy physics fields such as "separation and purification of substances" and "electron / ion beam convergence", which were not possible with conventional superconducting bulk magnet devices.
本発明は日本に数百台設置されている10T超電導マグネットを用いて、比較的容易に15T級の強磁場を持続的に実現できる可能性が有り、このメリットやインパクトは大きい。 According to the present invention, there is a possibility that a strong magnetic field of 15T class can be continuously realized relatively easily by using hundreds of 10T superconducting magnets installed in Japan, and this merit and impact are great.
以下、本発明を実施の形態に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the embodiments.
図5に、本発明の一実施形態に係るハイブリッド型超電導バルク磁石装置(以下、単に超電導バルク磁石装置とも称する)21の構成を模式的に示す。この超電導バルク磁石装置21は、一対の超電導バルクを突き合わせてなるバルク超電導体磁気レンズ22が、円筒状バルク超電導体23の内部中心に配置されて構成され、外部に配置される着磁用超電導マグネット24により着磁用磁場(印加磁場Bapp)が印加されるようになっている。バルク超電導体磁気レンズ12は、図6では模式的にブロックで示されているが、実際は、図2(a)、図3に示すように、磁場を収束させるための形状となっており、その特性は円筒状バルク超電導体23の特性とは異なっている。そして、バルク超電導体磁気レンズ22は図3の下側の図に平面図として示してあるようにスリットが形成されており、このスリットの存在が磁気レンズ効果を生じさせるために重要な役割を担っている。バルク超電導体磁気レンズ22の超電導バルクとしては、例えばREBaCuO(REは希土類元素またはY)が用いられ、円筒状バルク超電導体23の超電導バルクとしても、バルク超電導体磁気レンズ22と同じ材料であるREBaCuO(REは希土類元素またはY)が用いられ、着磁用超電導マグネット24としては、例えばNbTiからなるソレノイド型コイルまたはスプリット型コイルが用いられる。上記REBaCuOとしては、特にGdBaCuOやEuBaCuOが好ましい。
FIG. 5 schematically shows the configuration of a hybrid type superconducting bulk magnet device (hereinafter, also simply referred to as a superconducting bulk magnet device) 21 according to an embodiment of the present invention. In this superconducting
この超電導バルク磁石装置21には、1台の冷却装置25が設けられ、そのコールド・ステージと円筒状バルク超電導体23の下面の間に低熱伝導率材料よりなる円盤状の熱リーク板26が配置されている。この熱リーク板26は、バルク超電導体磁気レンズ22の冷却に対し円筒状バルク超電導体23の冷却を遅延させる役割を行い、円筒状バルク超電導体23とバルク超電導体磁気レンズ22の温度を個別に制御できるようになっている。熱リーク板26としては、バルク超電導体磁気レンズ22の冷却に対し円筒状バルク超電導体23の冷却を一定時間遅延させる低熱伝導率材料であれば適宜の材料を使用することができるが、例えば繊維強化プラスチック(FRP)、エポキシ樹脂等が好ましく用いられる。熱リーク板26による冷却速度は、材質による熱伝導率、厚さ、断面積を適切に設定することで制御することができる。以下、GdBdCuOを用いたバルク超電導体磁気レンズをGdBdCuOレンズ、GdBdCuOを用いた円筒状バルク超電導体をGdBdCuO円筒と略記することもある。そして、GdBdCuOレンズとGdBdCuO円筒を中心に説明する。
The superconducting
この超電導バルク磁石装置21では、図5に示すように、バルク超電導体磁気レンズ22と円筒状バルク超電導体23の周りにそれぞれ機械的補強部材27を設ける。REBaCuOバルクの破壊強度は、約50〜70MPaであり(非特許文献2)、例えばBaGdCuO円筒の場合、印加磁場3Tでは破壊は起こらないが、印加磁場10TではBaGdCuO円筒の端面内壁に200MPa以上の引張応力が加わる。また、BaGdCuOレンズの場合、印加磁場10Tで最大50MPaの圧縮応力が加わり、レンズ中で印加磁場により正負の応力分布が発生する。このため、機械的補強部材27を設ける。機械的補強部材27としては、例えばステンレス鋼(SUS)等の熱伝導率が高く、高強度の合金を使用することができる。
In this superconducting
本実施形態の超電導バルク磁石装置21のバルク超電導体磁気レンズ22及び円筒状バルク超電導体23は、例えば図3に示す形状、大きさとすることができる。
The bulk superconductor
本実施形態の超電導バルク磁石装置21の磁化プロセスは図6及び下記に示す(1)〜(5)の時間シーケンスをとる。Bappは10Tである。
The magnetization process of the superconducting
(1)GdBaCuO円筒23は100Kに維持され、GdBaCuOレンズ22はTH=40Kまで冷却される。従って、この段階では、GdBaCuO円筒23は常電導状態にあり、GdBaCuOレンズ22は超電導状態にある(ステップ0)。
(1)
(2)外部磁場BexはBappまで5ステップ(ステップ1〜5)にわたって直線的に増加し、Bappと等しい磁場がGdBaCuO円筒23を完全に貫通し、磁場は磁気レンズの中心に収束するが、GdBaCuOレンズ22はゼロ磁場冷却(ZFC)により着磁される。
(2) an external magnetic field B ex increases linearly over 5 steps until B app (
(3)GdBaCuO円筒23とGdBaCuOレンズ22の両方の温度は、TL=20Kまで低下する。
(3) The temperature of both the
(4)外部磁場Bexは直線的に減少し、5ステップ(ステップ6〜10)で0となる。このプロセス中、GdBaCuO円筒23は磁場中冷却着磁(FCM)によって磁化され、磁束はGdBaCuO円筒23内に捕捉される。磁場収束効果は、外部磁場Bexの減少によりわずかに減少するが、GdBaCuO円筒23内に捕捉された磁場が存在するため、GdBaCuOレンズ22の中心にある中心磁場Bcはまだ残っている。
(4) The external magnetic field Bex decreases linearly and becomes 0 in 5 steps (
(5)結果として、外部磁場Bex=0の後であっても、図6(b)に示すように、Bappより高い磁場Bcを確実に発生できる超電導バルク磁石装置が実現する。 (5) As a result, as shown in FIG. 6B, a superconducting bulk magnet device capable of reliably generating a magnetic field B c higher than Bapp is realized even after the external magnetic field Bex = 0.
図7に、増磁過程及び減磁過程での中心軸(x軸)上での磁場分布を示す。 FIG. 7 shows the magnetic field distribution on the central axis (x-axis) in the magnetizing process and the demagnetizing process.
また、図8に、Bapp=3T、6T、10Tの場合の各ステップ(ステップ0〜10)における外部磁場Bexと発生磁界(中心磁界)Bcとの関係を示す。いずれも磁場印加を停止した後も磁場を持続的に発生することができた。また、表1に、Bapp(T)、BT(T)、Bc(T)、Bc/Bappのデータをまとめたものをす。 Further, in FIG. 8 shows B app = 3T, 6T, the relationship between the external magnetic field B ex and the generated magnetic field (center field) B c in each step in the case of 10T (step 0-10). In each case, the magnetic field could be continuously generated even after the application of the magnetic field was stopped. Further, to the Table 1, B app (T), B T (T), B c (T), a summary of the data of the B c / B app.
ここで、本実施形態の超電導バルク磁石装置21の大きな特徴である熱リーク板25についてさらに詳細に説明する。
Here, the
この超電導バルク磁石装置21では、図6(a)に示すように、増磁過程(ステップ1〜5)でGdBaCuO円筒23は、GdBaCuOレンズ22が20Kでゼロ磁場冷却(ZFC)の着磁プロセスを行っている間は超電導転移温度(Tc=92K)より高い温度(例えば、Tc=100K)になるようにゆっくりと冷却されるように熱リーク板25の材質(熱伝導率)や厚さや断面積をあらかじめシミュレーションで推定することができる。
In this superconducting
図9に、各種材料、すなわち繊維強化プラスチック(FRP(G10))、Al合金(A7075)、ステンレス鋼(SUS304)、インジウム(In)、銅(Cu)の熱伝導率κの温度依存性を示す。図9から、繊維強化プラスチック(FRP(G10))の熱伝導率はステンレス鋼(SUS304)より約1桁小さいことがわかる。 FIG. 9 shows the temperature dependence of the thermal conductivity κ of various materials, that is, fiber reinforced plastic (FRP (G10)), Al alloy (A7075), stainless steel (SUS304), indium (In), and copper (Cu). .. From FIG. 9, it can be seen that the thermal conductivity of the fiber reinforced plastic (FRP (G10)) is about an order of magnitude smaller than that of stainless steel (SUS304).
一例として、GdBaCuO円筒23と冷却装置25のコールド・ステージの間に熱リーク板26として繊維強化プラスチック(FRP)板(300Kでの熱伝導率:1.7W/mK;厚さ( )mm、直径( )mm)を挿入し、300Kから20Kへ冷却する場合のGdBaCuOレンズ22とGdBaCuO円筒23の300K及び200Kにおける温度分布を図10に示し、温度変化の時間依存性を図11に示す。
As an example, a fiber reinforced plastic (FRP) plate (thermal conductivity at 300K: 1.7 W / mK; thickness () mm, diameter) as a
図11からわかるように、GdBaCuOレンズ22は4000sで20Kに達するが、GdBaCuO円筒23は熱リーク板(繊維強化プラスチック(FRP))26の存在により10000sでも100K以上である。この場合は、4000sから10000sの間にシーケンス前半のGdBaCuOレンズ22のゼロ磁場冷却(ZFC)を行なえば、その後、GdBaCuO円筒23が十分に時間が経過し、20Kに達した後にシーケンス後半のGdBaCuO円筒23の磁場中冷却着磁(FCM)を行なえばよい。
As can be seen from FIG. 11, the
熱リーク板26を構成する繊維強化プラスチック(FRP)板の断面積と厚さを制御することで、GdBaCuO円筒23の冷却の遅れを制御することが可能である。また、板の材質を繊維強化プラスチック(FRP)以外の材料にして制御することも可能である。
By controlling the cross-sectional area and thickness of the fiber reinforced plastic (FRP) plate constituting the
比較のために、GdBaCuO円筒23と冷却装置25のコールド・ステージの間にステンレス鋼板(熱伝導率:15W/mK;厚さ( )mm、直径( )mm))を挿入し、300Kから20Kへ冷却する場合のGdBaCuOレンズ22とGdBaCuO円筒23の温度分布を図12に、温度変化の時間依存性を図13に示す。
For comparison, a stainless steel plate (thermal conductivity: 15 W / mK; thickness () mm, diameter () mm)) is inserted between the
図13からわかるように、GdBaCuO円筒23はステンレス鋼(SUS304)板の存在により冷却に遅れが生じるが、その違いは僅かである。この場合は、繊維強化プラスチック(FRP)板の挿入による効果ほど遅延効果が大きくない。
As can be seen from FIG. 13, the cooling of the
図14に、種々の熱リーク材料(厚さ5mm、直径5mm)を用いたGdBaCuOレンズ22とGdBaCuO円筒23の中心温度の時間依存性を示す。この場合は、GdBaCuOレンズ22と冷却装置25のコールド・ステージの間にステンレス鋼(SUS304)板を挿入した。種々の熱リーク材料として、繊維強化プラスチック(FRP(G10(normal)))、繊維強化プラスチック(FRP(G10(warp)))、エポキシ樹脂、ステンレス鋼(SUS304)を用いた。図14から、熱リーク材料の材質によってGdBaCuOレンズ22とGdBaCuO円筒23の中心温度の時間依存性が大きく異なることがわかる。
FIG. 14 shows the time dependence of the center temperature of the
図15に、熱リーク材料を繊維強化プラスチック(FRP(G10(normal)))とした場合における冷却速度の熱リーク板厚さ依存性を示す。熱リーク板の厚さは、3mm、5mm、10mm、15mm、20mmとした。図15から、熱リーク板の冷却速度が熱リーク板の厚さに大きく依存していることがわかる。 FIG. 15 shows the heat leak plate thickness dependence of the cooling rate when the heat leak material is fiber reinforced plastic (FRP (G10 (normal))). The thickness of the heat leak plate was 3 mm, 5 mm, 10 mm, 15 mm, and 20 mm. From FIG. 15, it can be seen that the cooling rate of the heat leak plate largely depends on the thickness of the heat leak plate.
以上示したデータを考慮して、熱リーク板26の材質(熱伝導率)、厚さ、断面積を適切に温度制御できるように設定することができる。
In consideration of the data shown above, the material (thermal conductivity), thickness, and cross-sectional area of the
本発明の超電導バルク磁石装置21では、冷却装置25のコールド・ステージと円筒状バルク超電導体23の下面の間に低熱伝導率材料よりなる円盤状の熱リーク板26を配置(挿入)したので、1台の冷却装置でGdBaCuOレンズ22とGdBaCuO円筒23の温度制御が安価で簡便に行なうことができ、オープンスペースの実現が可能となる。
In the superconducting
21 超電導バルク磁石装置
22 バルク超電導体磁気レンズ
23 円筒状バルク超電導体
24 着磁用超電導マグネット
25 冷却装置
26 熱リーク板
27 機械的補強部材
21 Superconducting
Claims (6)
前記円筒状バルク超電導体と前記バルク超電導体磁気レンズを冷却するための1台の冷却装置を設け、前記冷却装置と前記円筒状バルク超電導体との間に、前記バルク超電導体磁気レンズの冷却に対し前記円筒状バルク超電導体の冷却を遅延させる熱リーク部材を配置し、前記円筒状バルク超電導体と前記バルク超電導体磁気レンズの温度を個別に制御することを特徴とするハイブリッド型超電導バルク磁石装置。 A pair of superconducting bulks made of the same material as the cylindrical bulk superconductor, which has a shape for converging a magnetic field, are butted against the inner center of a cylindrical bulk superconductor made of REBaCuO (RE is a rare earth element or Y). By arranging a bulk superconductor magnetic lens and magnetizing the cylindrical bulk superconductor with a magnetizing superconducting magnet installed outside, the magnetic field capture phenomenon by the cylindrical bulk superconductor and the bulk superconductor Combined with the magnetic convergence effect of the magnetic lens, a magnetic field larger than the applied magnetic field is generated, and even after the magnetic field application by the magnetizing superconducting magnet is reduced to zero, it is applied by the captured magnetic field remaining in the cylindrical bulk superconductor. A hybrid superconducting bulk magnet device that can continuously generate a magnetic field larger than the magnetic field.
A cooling device for cooling the cylindrical bulk superconductor and the bulk superconductor magnetic lens is provided, and the bulk superconductor magnetic lens is cooled between the cooling device and the cylindrical bulk superconductor. On the other hand, a hybrid superconducting bulk magnet apparatus characterized in that a heat leak member for delaying the cooling of the cylindrical bulk superconductor is arranged and the temperatures of the cylindrical bulk superconductor and the bulk superconductor magnetic lens are individually controlled. ..
増磁過程では前記円筒状バルク超電導体は常電導状態に維持し、前記バルク超電導体磁気レンズは超電導状態とし、前記着磁用超電導マグネットによる外部磁場を直線的に増加させ、前記前記バルク超電導体磁気レンズはゼロ磁場冷却により着磁した後、前記円筒状バルク超電導体及び前記バルク超電導体磁気レンズをともに超電導状態とし、
減磁過程では、前記円筒状バルク超電導体と前記バルク超電導体磁気レンズの超電導状態を維持したまま、前記着磁用超電導マグネットによる外部磁場を直線的に減少させ、前記円筒状バルク超電導体を磁場中冷却着磁され、前記円筒状バルク超電導体により磁束を捕捉し、
外部磁場の印加を停止した後も、印加磁場より大きい磁場を持続的に発生させることを特徴とするハイブリッド型超電導バルク磁石装置の使用方法。 Using the hybrid superconducting bulk magnet device according to any one of claims 1 to 5,
In the magnetizing process, the cylindrical bulk superconductor is maintained in a normal conducting state, the bulk superconductor magnetic lens is placed in a superconducting state, and the external magnetic field generated by the magnetizing superconducting magnet is linearly increased to linearly increase the bulk superconductor. After magnetizing the magnetic lens by zero magnetic field cooling, both the cylindrical bulk superconductor and the bulk superconductor magnetic lens are placed in a superconducting state.
In the demagnetization process, the external magnetic field generated by the magnetizing superconducting magnet is linearly reduced while maintaining the superconducting state of the cylindrical bulk superconductor and the bulk superconductor magnetic lens, and the cylindrical bulk superconductor is subjected to a magnetic field. It is medium-cooled and magnetized, and the magnetic flux is captured by the cylindrical bulk superconductor.
A method of using a hybrid superconducting bulk magnet device, characterized in that a magnetic field larger than the applied magnetic field is continuously generated even after the application of the external magnetic field is stopped.
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US11798720B2 (en) | 2020-05-14 | 2023-10-24 | Bruker Switzerland Ag | Superconductor magnet system, with individual temperature control of axially stacked bulk sub-magnets |
JP2023071604A (en) * | 2021-11-09 | 2023-05-23 | ブルーカー スウィッツァーランド アー・ゲー | Method for homogenizing magnetic field profile of superconductor magnet system, in particular with feedback by measured magnetic field profile |
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CN114197045B (en) * | 2021-11-19 | 2024-04-02 | 陕西师范大学 | Method for preparing single-domain gadolinium barium copper oxide superconducting bulk in small batch by single seed crystal |
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